嫦娥四號著陸器構型優化設計與驗證

柏江 張熇 陳向東 李飛 傅子敬 張旺軍

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星構型設計的任務就是要滿足載荷、控制、電源、測控、數據傳輸、熱控等設備的指向和安裝要求[1]。對于嫦娥四號著陸器，除了常規的構型設計要求外，還要采用成熟的構型形式，確保工程實施的可靠度，目前缺乏對月球背面著陸器構型的相關研究。

低頻射電頻譜儀、月球中子及輻射劑量探測儀、科普載荷等設備是嫦娥四號著陸器重要的載荷[2]，在月球背面進行電磁探測可有效避免來自地球等環境的干擾，為了在地面測試過程中可以更好地模擬真實的測試環境，提出了復雜的安裝指向、電磁隔離、熱控、光照等要求[3]。著陸器構型優化設計的任務就是要滿足載荷設備的復雜要求，滿足著陸器為適應中繼衛星發射窗口、著陸器著陸區域等的不確定性，對天線的布局和指向嚴格的約束條件，同時還要求著陸器的構型布局設計具有較好的總裝可操作性，方便地面總裝、測試、運輸等。

本文通過構型優化設計，有效解決了著陸器、中繼衛星共12個備選發射窗口組合以及著陸姿態偏差導致天線動態指向包絡過大的難題。實現了對力學振動響應敏感載荷設備的機械安裝角度調整、熱控隔離、視場及光照等嚴苛的布局要求。

1 載荷構型優化設計與驗證

嫦娥四號著陸器很多設備和載荷的布局約束條件比較嚴苛，既要兼顧已有的設備布局，又需要根據新的工程目標和科學探測需求進行適應性設計，以載荷使用需求為目標進行了多約束條件下的優化布局。

1.1 低頻射電頻譜儀

低頻射電頻譜儀的布局見圖1，低頻射電頻譜儀包含電子學箱、前置放大器、3個展開長度為5 m的天線兩兩正交來接收來自空間的低頻信號，并通過前置放大器信號處理后傳輸至電子學箱進行數據分析，其布局在空間、熱控、絕緣等方面均有非常嚴格的要求。需要控制前置放大器與3個低頻天線的距離，來保證天線頭部與前置放大器的阻值相同的要求；低頻天線相互之間絕緣，與結構艙板之間絕緣，與前置放大器為導通狀態。

由于低頻射電頻譜儀天線A、B、C在艙板上的長度約600 mm，天線的軸線需要兩兩正交，且需要保證天線的展開通道內無遮擋和干涉，結合著陸器上其他設備的布局要求，著陸器結構艙板上的空間已經無法滿足低頻射電頻譜儀天線的安裝要求。

將天線B、C按90°夾角在平面上形成一個組件，在著陸器中心艙頂板上遍歷尋找合適的安裝位置，見圖1，需要將天線B跨中心艙和-Z艙結構艙板安裝，通過整體機加確保不同結構艙板的平面度滿足要求，通過特殊設計天線安裝接口以適應在不同結構艙板上的重復安裝精度，并充分利用器上已有設備的間隙來滿足天線展開通道無遮擋和干涉的要求。根據天線B、C的位置確定天線A的位置，考慮到天線A附近已有設備較多，需設計偏置支架確保天線A的剛度滿足要求。根據天線A、B、C的位置，考慮電纜通道要求，確定前置放大器的位置。根據電纜長度要求及電子學箱的溫度要求，將電子學箱布局在-Y艙內。

圖1 低頻射電頻譜儀布局位置示意圖

圖2顯示了低頻射電頻譜儀天線的接口關系，由于低頻射電頻譜儀天線與結構艙板之間有絕緣、隔熱、導通等要求，而天線由展開機構、繞線機構、火工品等部件組成，因此對天線的多層進行了特殊設計，首先在天線展開部件外安裝一層聚酰亞胺襯膜，既起到絕緣作用，又能保護展開機構，將展開機構、繞線機構、火工品的多層分別設計，并與結構艙板多層之間采用絕緣多層進行搭接。在天線安裝接口中，設計了絕緣及隔熱裝置、多層隔離裝置、前置放大器導線連接裝置等，可以滿足低頻射電頻譜儀的安裝和測試要求。

圖2 低頻射電頻譜儀天線接口示意圖

1.2 月球中子及輻射劑量探測儀(LND)及科普載荷

月球中子及輻射劑量探測儀為國際合作載荷，科普載荷為搭載載荷。LND月晝期間需打開結構艙板進行科學探測，月夜期間需要關閉結構艙板進行保溫；LND探頭需要與著陸器進行隔熱設計，并確保其視場范圍內無遮擋，而LND本體需利用艙板的熱管進行導熱。科普載荷探頭需要接收陽光以進行光合作用，艙蓋機構的運動應不遮擋陽光照射，科普載荷本體與著陸器進行隔熱設計。

針對LND、科普載荷的特殊布局要求，考慮小艙內已有設備的安全距離，相關設備布局位置見圖3，制定了受限空間內載荷的布局策略。確保滿足LND布局要求的情況下，盡可能多的預留科普載荷的安裝空間，需要縮減艙蓋機構蓋板及開孔的尺寸，以增大科普載荷的展示度。將LND設備本體通過支架抬升并旋轉一定角度，以滿足其視場指向要求。LND探頭與艙板之間的多層搭接采用“漏斗多層”的形式實現其熱控隔離的要求。科普載荷整體外廓為熱控多層及散熱面狀態，安裝接口不可見，將科普載荷采用“吊裝”的形式實現“盲連接”(艙板端為通孔，設備端為螺紋孔且不可見)[4]。科普載荷與著陸器為隔熱設計，通過小艙頂板的開孔與著陸器進行熱控多層搭接。LND視場及科普載荷光照見圖4。

圖3 LND及科普載荷布局位置示意圖

圖4 LND視場及科普載荷光照示意圖

1.3 同位素溫差電池(RTG)

同位素溫差電池主要有兩個功能：①為著陸器提供月夜保溫的熱源；②為月夜溫度采集提供電能。RTG質量重、尺寸大、溫度高、表面有白漆及多層隔熱材料，且具有一定的放射性，需要發射前在發射塔架上安裝，其安裝工序非常復雜，危險性高，涉及到熱控、電纜、管路等接口，構型布局約束較多。

RTG的布局應考慮著陸器上其他同位素源的位置，使其熱能與電能可以充分利用，并盡量遠離低頻射電頻譜儀，月球中子及輻射劑量探測儀等科學探測設備；在地面測試期間，采用無放射性的模擬產品，構型布局需適應飛行及地面測試的要求，并確保產品和人員的安全；RTG需要在發射場的發射塔架上安裝飛行產品，應確保產品的安裝與運載火箭、發射場塔架等系統的匹配性。

RTG接口復雜，涉及到設備機械安裝接口、與重力輔助兩相流體回路管路連接接口、與月夜溫度采集系統的電路接口、與熱控分系統相關的導熱脂、白漆、多層等接口，結合著陸器上其他設備的布局要求，著陸器結構艙板上的空間已經非常受限。綜合考慮輔助裝器裝置的預留空間、與器上其他設備的最小距離要求、管路操作以及電纜操作的便利性等因素，確定了RTG的布局位置，見圖5。

圖5 RTG布局位置示意圖

RTG的安裝需采用輔助裝器裝置，在艙板上開安裝接口，并在RTG與結構艙板的安裝接口上設置導向裝置，此外在運載火箭整流罩上設計了操作口和觀察口。通過具有3個移動自由度的輔助裝器裝置及通過人機工程模擬操作[5]，最終既滿足RTG的安裝和測試要求，也確保產品和人員的安全，見圖6。

圖6 RTG輔助裝器裝置及人機工程模擬示意圖

2 天線構型優化設計與驗證

嫦娥四號中繼衛星工作軌道為1.2萬千米的halo軌道，在著陸器構型布局設計階段，中繼衛星尚未發射。根據任務規劃，需考慮不同的發射窗口對軌道的影響，其中中繼衛星有8個發射窗口，著陸器有4個發射窗口，同時考慮著陸器的著陸姿態偏差[6]。

在中繼衛星發射窗口、著陸器發射窗口、著陸點偏差等因素不確定的影響下，中增益天線的布局變得非常困難，需要設計一個高度角和方位角能覆蓋中增益天線指向動態包絡的方案。由于布局空間受限，需考慮對其他敏感器的視場遮擋、對其他機構的運動空間避讓等問題。

中繼衛星和著陸器的多個發射窗口組合，同時考慮著陸器的著陸姿態偏差，中繼衛星對著陸器的指向范圍跨度太大，遠遠超出中增益天線的視場范圍，無法同時覆蓋中繼衛星的不同發射窗口。中增益天線的布局受定向天線的運動包絡范圍、低頻射電頻譜儀天線的展開通道約束，通過中增益天線自身的設計無法同時滿足俯仰角、方位角的指向要求。通過天線單機與艙板布局聯合設計的方式可實現這個目標，俯仰角由中增益天線的角度調節實現，方位角通過結果艙板的開孔實現[7]。在中繼衛星按主份窗口發射后，著陸器的中增益天線按主份位置安裝，利用較小的代價解決了中繼衛星指向范圍較寬的難題，見圖7。天線的構型優化設計，經過電性能測試、力學試驗、熱試驗、機構展開試驗等地面試驗的驗證，并經歷了在軌飛行和月面工作驗證，功能與性能滿足要求。

圖7 中增益天線布局位置示意圖

3 輕量化構型優化設計與驗證

著陸器的質量資源非常緊張，需要進行輕量化構型設計。電纜網絡路徑的優化設計會對著陸器質量的降低帶來明顯的效果，同時通過統籌設備布局及著陸器質量特性的準確計算，可以有效減少配重，從而降低著陸器平臺質量。

3.1 電纜網絡路徑優化

發射及飛行狀態電纜，按著陸器總裝可實現的最短路徑設計，可實現飛行狀態電纜質量最輕的目標。在地面測試過程中，需要設計地面電纜，可采用成本更低廉、狀態更可控、且可多次重復利用的產品。

著陸器電纜常規路徑與最短路徑的對比見圖8，其中圖8(a)所示最短路徑相比常規路徑，電纜長度節省比例達43.6%；圖8(b)所示最短路徑相比常規路徑，電纜長度節省比例達83.9%。采用最短路徑法，將非常有效地節省飛行電纜質量。由于減少了開艙、合艙過程中轉軸處的電纜束數量、長度余量，有效減少電纜束在開艙、合艙過程中的擠壓、拉拽發生概率。

通過對電纜線規和轉彎半徑等準確定義，實現對電纜質量的精確計算[8]。通過對單根電纜走向及長度的迭代，確保電纜路徑為最優規劃。確保電纜長度在各種約束下為最短設計，從而實現在確保可靠性的前提下電纜質量大大降低。

通過路徑優化設計、電纜分支長度公差精細化、差異化控制，電纜網絡路徑優化效果明顯，電纜長度有效減少，電纜網絡質量計算結果及與實測結果對比情況吻合度較高。相比嫦娥三號著陸器電纜網絡質量減輕11.4 kg，減輕比例達16.9%。

圖8 電纜網常規路徑與最短路徑對比示意圖

3.2 統籌設備布局優化

嫦娥四號著陸器相對嫦娥三號著陸器，由于配置了更多的滿足工程目標和科學目標的設備，干重余量減少。為了確保發射質量滿足運載火箭的要求，需要對結構、設備、電纜、管路等的質量特性進行準確計算，并根據計算結果對設備布局進行針對性調整，減少配重。我國部分航天器相關配平參數見表1。

表1 質量特性配平參數表

結合著陸器的質量特性要求，通過與構型布局的相互迭代，對質量特性進行了準確計算。在不改變嫦娥三號著陸器已有設備布局的情況下，著陸器Y向、Z向質心與要求值偏差太大。著陸器的Y向質心偏差通過調整“質量差”相當的設備在±Y艙位置互換的方式，比如有效載荷電控箱由-Y艙調整至+Y艙，基本實現Y向質心的零配重要求[9]。著陸器的Z向質心偏差主要是由著陸器的“大質量載荷”(巡視器)造成的，利用著陸器力臂遠遠大于巡視器力臂的特點，從嫦娥四號探測器系統優化的角度，在著陸器力臂最大的-Z側實施配重。經過布局優化調整，質心精度提高至0.1 mm，配重比降低至0.1%。

4 結束語

為了提高工程實施的可靠度，嫦娥四號著陸器的構型布局在很大程度上繼承了嫦娥三號著陸器的構型布局設計成果。采用多目標約束遍歷優化方法進行了以天線視場指向等使用需求為目標、載荷的機電熱光等接口要求為約束條件、單機設備和結構艙板迭代優化布局的聯合設計。經過適應性的修改和構型優化設計，可滿足嫦娥四號任務在多目標約束的復雜安裝、指向、質心等要求。經過地面總裝、測試和試驗，并經歷了在軌工作驗證，著陸器構型布局設計合理正確。